10.11 : ديناميكيات مستوى فيرمي

يشير مستوى الفراغ إلى عتبة الطاقة اللازمة لهروب الإلكترون من سطح المادة. وعادة ما يتم وضعه فوق نطاق التوصيل لأشباه الموصلات ويعمل كمعيار لمقارنة طاقات الإلكترون داخل المواد المختلفة.

يشير تقارب الإلكترون في أشباه الموصلات إلى فجوة الطاقة بين الحد الأدنى لنطاق التوصيل ومستوى الفراغ، وهو معلمة حاسمة في تحديد مدى سهولة قبول أشباه الموصلات لإلكترونات إضافية.

تمثل دالة الشغل أقل كمية من الطاقة اللازمة لتحريك إلكترون من مستوى فيرمي، وهو مستوى الطاقة حيث يكون للإلكترون فرصة تواجد بنسبة 50%، إلى مستوى الفراغ. تختلف هذه القيمة عبر المواد، حيث تعرض المعادن عادةً وظائف عمل عالية تتراوح من 2 إلى 5 فولت، ويعزى ذلك إلى مستويات فيرمي المكتظة بالسكان.

من ناحية أخرى، تعرض أشباه الموصلات وظائف عمل ديناميكية بسبب الطبيعة المتغيرة لمستويات فيرمي الخاصة بها والتي تتأثر بعوامل مثل المنشطات وتغيرات درجات الحرارة.

عندما يتلامس معدن وشبه موصل، فإنهما يبحثان عن التوازن، مما يؤدي إلى مستوى فراغ موحد عبر الوصلة من خلال نقل الشحنة، ويستمر حتى تتوافق مستويات فيرمي لكلا المادتين. يؤدي هذا إلى انحناء نطاق الطاقة داخل شبه الموصل، مما يؤدي إلى إنشاء حاجز شوتكي، وهو حاجز طاقة محتمل للإلكترونات التي تتحرك عبر تقاطع أشباه الموصلات المعدنية.

يتحكم ارتفاع حاجز شوتكي في موصلية الوصلة ويتم تحديده من خلال العلاقة بين وظيفة عمل المعدن والألفة الإلكترونية لأشباه الموصلات.